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MaterialOberflächen - NanoFunktionalitäten MONaF

Aktuelle Ergebnisse auf dem Gebiet funktionalisierter Oberflächen und neuer Materialien, Neuigkeiten rund um Materialoberflächen!

Bernd Grünler Forschungsprojekt zur Filmbildung und Stabilität von Polymerdispersionen
Farben, Lacke, Beschichtungen, Folien, Klebstoffe: wässrige Polymerdispersionen sind die Grundlage vieler Produkte, die uns im Alltag begegnen. Das Forschungsprojekt DisCoPol - Applied Research on Disperse Colloidal Polymers geht nun der Frage nach, wie die Eigenschaften von wässrigen Polymerdispersionen weiter verbessert werden können.
Sie machen einen signifikanten Anteil an der gesamten Kunststoffproduktion aus. Das Ziel des Forschungsprojekts an der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften ist deshalb, die Herstellungsverfahren zu optimieren, Struktur-Eigenschaftsbeziehungen genauer zu verstehen und neue Einsatzmöglichkeiten zu erschließen.
Wässrige Polymerdispersionen sind Kunststoffe, die dem natürlichen Latex, also dem Milchsaft des Kautschukbaums nachempfunden sind. Sie bestehen aus winzigen Polymerteilchen, die in einem flüssigen Medium gleichmäßig fein verteilt (dispergiert) sind.
Die Stabilität dieser sogenannten kolloidalen Dispersionen gegenüber Sedimentation und Gerinnung (Aggregation) ist eine technisch wichtige Eigenschaft, die für den Herstellungs- und Verarbeitungsprozess, aber auch für Transport und Lagerung der Kunststoffe von Bedeutung sind.
"In bestimmten Fällen, beispielsweise bei einem zu großen Elektrolytgehalt, zu hohen Temperaturen oder beim Rühren und Pumpen, können die zunächst flüssigen Polymerdispersionen anschaulich gesprochen verklumpen. Ihre chemische Struktur gibt vor, ob und wie gut die Stabilität der kolloidalen Dispersionen gegeben ist", sagt Prof. Dr. Jan Wilkens, Projektleiter und Koordinator des Projekts an der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften.
"Eines unserer Ziele ist es, die Faktoren, die die Stabilität der Polymerdispersionen maßgeblich beeinflussen, detailliert zu ermitteln und zu charakterisieren, um die Produktionsverfahren ressourcenschonend zu optimieren. Die Ergebnisse werden außerdem in der Entwicklung neuartiger Materialien für Oberflächenbeschichtungen Berücksichtigung finden", so Wilkens weiter. An Polyurethan-basierten Lacken, Beschichtungen und Klebstoffen werden deshalb die Faktoren untersucht, die für diese Kunststoffklasse bei der Filmbildung eine dominierende Rolle spielen. Ein weiterer Forschungskomplex beschäftigt sich mit Struktureigenschaftsmerkmalen von Polyurethan- und Polyvinylchlorid-Dispersionen, die dazu beitragen, eine Aggregation der feinverteilten Polymerpartikel effektiv zu verhindern.
Zur Forschungsgruppe gehören neben Prof. Dr. Jan Wilkens die Wissenschaftler Prof. Dr. Marc Leimenstoll und Prof. Dr. Birgit Glüsen von der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der TH Köln, Prof. Dr. Martin Bonnet von der Fakultät für Anlagen-, Energie- und Maschinensysteme der TH Köln, Prof. Dr. Annette Schmidt von dem Department für Chemie der Universität zu Köln sowie die Doktoranden Suzanne Aubin, Christoph Grau und Matthias Frangenberg. Als Kooperationspartner sind die Covestro Deutschland AG sowie die Vinnolit GmbH & Co. KG beteiligt. Gefördert wird das Projekt im Rahmen der Förderlinie FHprofUnt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über einen Zeitraum von drei Jahren. Das gesamte Projektvolumen beträgt rund 600.000 Euro.
Das Forschungsprojekt soll die Expertise der TH Köln in der anwendungsnahen Polymerforschung weiter stärken und den Aufbau eines interdisziplinären Forschungsschwerpunkts unterstützen. Seit 2017 wird im Rahmen des Landesprogramms FH Struktur das ebenfalls in diesem Themenbereich angesiedelte Projekt FunktioPol gefördert, welches von drei Fakultäten der TH Köln getragen wird und sich mit der Entwicklung neuer funktioneller Polymere zur Verbesserung der funktionsmäßigen Verfügbarkeit, Wirksamkeit und Sicherheit von Wirkstoffen befasst.
Bernd Grünler Elektronenoptik öffnet Blick auf die Nanowelt
Das Europäische Patentamt (EPA) gibt die Nominierung des österreichischen Experimentalphysikers und Unternehmers Maximilian Haider für den Europäischen Erfinderpreis 2019 bekannt. Er ist einer von drei Finalisten in der Kategorie „Lebenswerk“. Mit der Nominierung wird seine Erfindung für die verbesserte Auflösung beim Elektronenmikroskop gewürdigt. Das Forschungsinstrument gehört zu den wichtigsten Geräten der modernen Wissenschaft und der Nanotechnologie. Dank Haiders jahrzehntelanger Arbeit ist es gelungen die Schärfe der Bilder im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) um den Faktor 5 zu erhöhen. Deshalb können beispielsweise Halbleiterkristalle in atomarer Auflösung betrachtet werden. Mikrochip-Herstellern verschaffte dies die Möglichkeit, die Größe von Komponenten in mobilen Geräten zu reduzieren.
Maximilian Haider gründete 1996 mit Partnern das Unternehmen Corrected Electron Optical Systems GmbH (CEOS), um seine Technologie für den Markt nutzbar zu machen. CEOS ist mittlerweile Marktführer für Korrekturtechnologie und arbeitet im Auftrag weltweiter Mikroskop-Hersteller wie Hitachi, JEOL und Thermo-Fisher Scientific. Als Professor für Elektronenoptik ist Haider außerdem am Karlsruher Institut für Technologie tätig.
„Haiders Erfindung hat dazu beigetragen, dass Elektronenmikroskopie heute bis auf die atomare Ebene möglich ist. Diese Leistung förderte wiederum den Fortschritt in der Materialwissenschaft“, sagte EPA-Präsident António Campinos über die österreichische Nominierung. „Seine Arbeiten und sein Unternehmen prägen seit Jahrzehnten die Elektronenmikroskopie.“
Die Gewinner des jährlichen Innovationspreises des EPA werden 2019 im Rahmen einer Galaveranstaltung am 20. Juni in Wien bekannt gegeben.
Aufbau der ersten elektronischen Linse
Das Elektronenmikroskop gibt es seit mehr als 60 Jahren. Es zählt weltweit zu den in Wissenschaft und Forschung am häufigsten verwendeten Instrumenten. Sein Prinzip: Es bündelt Elektronenstrahlen an Stelle von Licht. Deshalb können Elektronenmikroskope Objekte abbilden, die für optische Mikroskope zu klein sind. Allerdings verursachten die Strahlen von geladenen Elektronenteilchen noch vor 20 Jahren Bilddeformationen, die ihre Auflösung einschränkten. Der deutsche Physiker Otto Scherzer entwickelte zwar bereits in den 1940er Jahren eine Theorie zur Lösung dieses Problems, diese konnte aber aufgrund des damaligen Stands der Technik nicht umgesetzt werden. Erst Maximilian Haider fand in den 1990er Jahren den Weg, sie zur praktischen Anwendung zu bringen.
Seine Technologie besteht aus einem Satz magnetischer Polschuhe, die als Hexapole und Linsen bekannt sind. Sie lenken im Elektronenmikroskop die Strahlen der geladenen Teilchen ab und gleichen die inhärenten Verzerrungen aus. Das reduziert die Unschärfe in ihren Bildern. Haider vergleicht die Erfindung mit einer optischen Linse: Sie korrigiert das Sehvermögen einer Person, indem sie die Bilder auf der Netzhaut fokussiert. In gleicher Weise heben die Elektroden die Verzerrungen auf, die innerhalb der Teilchenstrahlen auf dem Weg von der Probe zum Detektor entstehen.
Maximilian Haider wurde 1950 im österreichischen Freistadt geboren. Für Linsen und optische Auflösung interessierte er sich bereits als Jugendlicher während seiner Ausbildung bei Optikern in Linz und Köln. Im Erwachsenenalter kehrte er auf die Schulbank zurück, legte eine Sonderprüfung ab und studierte Physik an der Universität Kiel und der TU Darmstadt. Dort traf er den deutschen theoretischen Physiker Harald Rose. Dieser überzeugte ihn, die Lichtoptik zu verlassen, um sich für seine Doktorarbeit dem Thema Überwindung der Auflösungsgrenze der Elektronenmikroskopie zuzuwenden.
In den folgenden Jahren arbeitete Haider mit Rose und dem deutschen Materialwissenschaftler Kurt Urban an der Lösung des Problems der Elektronenstrahlverzerrung. Haiders Schwerpunkt lag auf der Übertragung der Konzepte in die Praxis. Dafür untersuchte er die elektronischen Komponenten, die für die Korrektur der Verzerrung erforderlich sind. Nach seiner Promotion im Jahr 1987 setzte er seine Arbeit an der Korrekturtechnologie am Europäischen Molekularbiologischen Labor (EMBL) in Heidelberg fort, wo er schließlich die Elektronenmikroskop-Gruppe leitete.
Die Gründung von CEOS 1996 erfolgte durch Haider, Rose und den deutschen Physiker Joachim Zach, der an der TU Darmstadt bei Rose studierte und am EMBL mit Haider zusammenarbeitete. Ziel des Heidelberger Unternehmens war es, Haiders Technologie in Kooperation mit weltweit führenden Anbietern von Mikroskopen zur Marktreife zu bringen.
Als im folgenden Jahr 1997 die Förderung für Haiders Forschungen am EMBL auslief, stand auch die Technologie für die Anwendung im TEM zur Verfügung und ermöglichte eine Rekordauflösung von 0,12 Nanometern. Ein wichtiger Schritt für die Nanotechnologie: Materialwissenschaftler konnten damit erstmals einzelne Atomlagen in Halbleiterkristallen identifizieren. Dieser Fortschritt half insbesondere Herstellern von Mikrochips, immer kleinere Merkmale oder Defekte an Komponenten für Computer (und später auch für Smartphones) sichtbar zu machen.
„Diese hohe Auflösung, die wir jetzt bieten konnten, war ein echter Durchbruch – für die Wissenschaft, Elektronenoptik und für alle Materialwissenschaftler“, sagt Haider.
1998 beantragte Haider schließlich das Patent zum Schutz der Entwicklung, an der er bereits seit seiner Promotion arbeitete, und brachte sie mit dem CEOS-Partner JEOL auf den Markt. „Patentiert haben wir eigentlich die Umsetzung des Konzepts, also die Technologie, wie sie in der Praxis angewandt und für die Nutzer passend gemacht wird“, erklärt er.
CEOS brachte mit Philips im nächsten Schritt einen elektronischen Strahlkorrektor heraus. Haider veröffentlichte mit seinen Kollegen einen wegweisenden Bericht über ihre Ergebnisse im angesehenen Magazin Nature. Das rief andere Anbieter von Elektronenmikroskopen, darunter Hitachi, auf den Plan, um bei dem Start-up eigene Korrektoren zu beauftragen. Seitdem wurden zehn europäische Patente auf Haiders Erfindungen erteilt, deren Entwicklungen die Auflösung des Elektronenmikroskops weiter verbessert haben und dessen Verwendung voranbrachten. Im Jahr 2015 erreichte Haider die bisher unübertroffene Auflösung von 0,043 Nanometern – eine Strecke kleiner als der Radius eines Wasserstoffatoms!
Fortschritte in hoher Auflösung
CEOS ist heute mit 47 Mitarbeitern und einem Jahresergebnis von über einer Million Euro Marktführer in Korrekturtechnologie und Präzisionsausrüstung für elektronische Mikroskope. Das Unternehmen bietet Komponenten für 90 Prozent aller heute auf dem Markt befindlichen Transmissionselektronenmikroskope an. In Zusammenarbeit mit führenden Mikroskop-Anbietern, darunter JEOL, Philips, Hitachi, Thermo Fisher Scientific und ZEISS, definiert es die Grenzen der Technologie immer wieder neu, und Forscher profitieren von noch schärferen und besseren Bildern.
Der Markt für Transmissionselektronenmikroskope wird von 550 Millionen Euro im Jahr 2016 auf voraussichtlich 650 Millionen Euro bis 2021 wachsen. CEOS baut auf dem Erfolg des Gründers auf und kooperiert mit Partnern, um die Entwicklung in diesem Bereich weiter voranzutreiben.
Für Haider ist sein Lebenswerk sowohl die Erfindung, die den Fortschritt in der Elektronenmikroskopie ermöglichte, als auch das Unternehmen CEOS, das er aufbauen half und noch immer als leitender Berater unterstützt.
Bernd Grünler Holzoberflächen "begreifen"
Von Kindheit an verstehen wir die Dinge besser, wenn wir sie sehen und greifen können. Auch beim Holz spielen die Eigenschaften von Oberflächen - vor allem die Haptik - in allen Anwendungen eine wichtige Rolle. Der Endanwender berührt und sieht die Oberfläche von Holz und fühlt sich dabei wohl. Die heute sehr beliebten Holzfußböden mit markanten Oberflächenmerkmalen zeigen in einer beeindruckenden Weise die individuellen Gestaltungsmöglichkeiten des natürlich gewachsenen Werkstoffes Holz. Im CORNET-Projekt SURF~PARQUET werden strukturierte Oberflächen von Holzfußböden mit optimaler Beständigkeit gegen chemische Einflüsse entwickelt.
Natürliches Gefühl trotz Beschichtung
Ein Teil des Projektes erforscht die Faktoren, mit denen eine Holzoberfläche als natürlich und unbeschichtet empfunden wird, während sie gleichzeitig eine Behandlung für eine erhöhte Fleckenbeständigkeit aufweist. Eine Studie mit 60 Probanden und 80 Materialvarianten hat gezeigt, dass reale Holzstrukturen und ein geringer Glanzgrad wesentlich dafür sind. Gebürstetes Lärchenholz und sehr matte Beschichtungen mit Strukturadditiven wurden von den StudienteilnehmerInnen häufig als natürlich wahrgenommen.
Die Porigkeit des Eichenholzes ist ein wesentliches Merkmal für sein Erscheinungsbild. Gleichzeitig stellen die Poren eine besondere Herausforderung bei der Oberflächenbehandlung dar. Eine gleichmäßige und durchgehende Beschichtung bei den Poren ist entscheidend für die Beständigkeit der Oberfläche gegen Flüssigkeiten wie Rotwein oder Reinigungsmittel. Tief gebürstete Strukturen von Holz ergeben neue Voraussetzungen.
Den Mikrokosmus ausdrucken
Mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) werden die Mikrostrukturen der Parkettoberflächen sichtbar gemacht, wobei Querschnitte einen ersten Eindruck der Topografie geben. Eine Software errechnet 3D-Modelle der Oberflächenstruktur und bietet die Möglichkeit der Farbskalierung des Höhenprofils sowie der Messung von Profilformen und Rauigkeiten nach genormten Verfahren mit einer Genauigkeit im µm-Bereich. Mit dem 3D-Drucker entstehen daraus maßstabsgetreue Modelle, sodass man die Strukturen noch besser "begreifen" kann.
Damit wird der ohnehin sehr feine Tastsinn des Menschen verstärkt und dringt in neue Dimensionen von Mikrostrukturen vor. Es konnte gezeigt werden, dass eine sehr gleichmäßige Beschichtung auch auf strukturierten Holzoberflächen möglich ist. Einzelne Schwachstellen wurden identifiziert und verbessert, um beständige Oberflächen zu erreichen. Ergebnisse aus diesen Arbeiten werden mit einem mikroskopischen Einblick in verschiedene Holzarten und Bearbeitungsqualitäten beim Holzoberflächentag am 17.09.2019 in Wien gezeigt.
Buchtipp
Das Fachbuch Holzbeschichtungen von Jorge Prieto und Jürgen Kiene beschreibt klassische und moderne Holzbeschichtungssysteme und gibt liefert detaillierte Richtrezepturen.
Bernd Grünler Irdischer Schutz für außerirdisches Metall
Im Rahmen eines geförderten Projektes werden bei INNOVENT reversible Schutzschichten, basierend auf nachwachsenden Rohstoffen, für metallische Kulturgüter entwickelt. In diesem Zusammenhang wurde deren Eignung für die Konservierung von Eisenmeteoriten untersucht. Damit lassen sich Korrosionserscheinungen infolge von Lagerung und Zurschaustellung an den Fundstücken vermeiden, ohne deren Oberfläche und Optik zu verändern. Bei Bedarf können diese Schutzschichten wieder rückstandsfrei und ohne Einfluss auf die Oberflächen der Objekte entfernt werden.
Eisenmeteoriten neigen unter Einfluss von Feuchtigkeit sehr stark zur Korrosion. Durch die starke thermische Belastung beim Atmosphäreneintritt weisen diese Mikrorisse auf, an deren Kanten die Korrosion besonders stark voranschreitet. Durch die größere räumliche Ausdehnung der Korrosionsprodukte in den Rissen führt dies oft zum Zerfall und gegebenenfalls zum Verlust der Fundstücke. Viele Meteoriten weisen charakteristische Muster (Widmannstättensche Strukturen) auf, welche sich über lange Zeiträume bilden und anhand derer die Fundstücke identifiziert werden. Hierfür und für weitere Analysen, aber auch zur Ausstellung, werden die Fundstücke in der Regel zerteilt, wodurch die freigelegten blanken Metalloberflächen dem korrosiven Angriff ausgesetzt sind. Eine Versiegelung zum Schutz vor Korrosionserscheinungen sollte, gerade für museale Ausstellungsstücke, das äußere Erscheinungsbild nicht verändern und auch keinen mechanischen und chemischen Einfluss auf die Oberfläche des Objektes ausüben. Zudem ist eine rückstandslose Entfernbarkeit wünschenswert.
Transparent - Reversibel - Nachhaltig
Hierfür bietet sich ein Beschichtungsverfahren an, welches von INNOVENT bereits an archäologischen Fundstücken erprobt wurde (Vgl. idw-Pressemitteilung vom 18.01.2019 "Reversibel und nachhaltig - Neue korrosionsschützende Beschichtungen auf archäologischen Metallen" - https://idw-online.de/de/news709147). Bei den hierbei untersuchten archäologischen Fundstücken aus Eisen ebenso wie bei den Meteoriten spielt die Erhaltung des kultur- bzw. naturhistorischen Wertes die entscheidende Rolle.
Bei dem Beschichtungsmaterial handelt es sich um eine thermoplastische Polysaccharid-Ester-Verbindung, welche sich durch eine hohe Transparenz auszeichnet. Analog einer klassischen Pulverbeschichtung wird das fein gemahlene Material elektrostatisch geladen auf den metallischen Probekörper aufgetragen und anschließend durch Aufschmelzen zu einer umhüllenden Schicht verbunden. Bei der Synthese der Esterverbindung aus biobasierten nachhaltigen Rohstoffen kann der Schmelzpunkt in einem Bereich von 50 °C bis etwa 200 °C eingestellt werden, so dass auch temperaturempfindliche Substrate gut damit behandelt werden können. Da das Material während des Auftragsprozesses nicht quervernetzt, kann es durch Schmelzen mit sanftem mechanischem Abtrag oder mittels Lösemittel wieder von der Oberfläche entfernt werden. Die Polysaccharidester sind wasserabweisend und frei von Weichmachern und Lösungsmitteln. Durch Einstellung der Viskosität und des Spreitverhaltens der Schmelze lassen sich unterschiedliche Glanzgrade erzeugen und damit der ursprüngliche optische Eindruck erhalten.
Tests am außerirdischen Metall
„Für derartige Versuche sollte man es mit Bruchstücken des Eisenmeteoriten aus dem Campo del Cielo Kraterfeld in Argentinien versuchen, da dieser aufgrund seiner Rissigkeit die Ausbreitung von Rost gut erkennen lässt“, empfahl Dr. Benno Baumgarten, Stellvertretender Direktor des Naturkundemuseums Südtirol, der bei den Versuchen beratend tätig war. Das ca. 42 g schwere Fragment des Meteoriten wurde trocken zerteilt, um eine Test- und eine Referenzprobe zu erhalten (Abb. 1). Bei dem Material handelt es sich um eine Eisen-Nickel-Legierung, welche in normaler Raumluft schnell zu oxidieren beginnt und daher entweder sehr trocken gelagert oder gesondert geschützt werden muss.
Zur Überprüfung der Beständigkeit der Beschichtung und ihrer Schutzwirkung wurde eine der beiden Hälften mit der Pulverschicht versehen und zusammen mit der unbehandelten Hälfte für 5 Tage in einer feuchten Atmosphäre (40 °C, mindestens 95 % r.h.) gelagert. Nach dieser Zeit ist bereits mit bloßem Auge (Abb. 1) und ganz besonders mikroskopisch (Abb. 2) ein deutlicher Unterschied zwischen den beiden Probestücken zu erkennen. Nicht nur auf den Außenflächen, sondern vor allem den frischen Schnittflächen ist die Wirkung des Schutzmantels sehr gut erkennbar.
Insbesondere an den Mikrorissen, die sich aufgrund der thermischen Belastung beim Atmosphäreneintritt bis in die inneren Bereiche des Meteoritenkörpers bilden, sind die Korrosionserscheinungen besonders ausgeprägt. An diesen Stellen besteht noch Optimierungsbedarf bei der Beschichtung hinsichtlich der Abdeckung. Zusätzlich konnten Röntgenfluoreszenzanalysen der korrodierten Stellen (besonders der Ausblühungen, an diesen Rissen) Anwesenheit von Chlor, belegen. Dieser Umstand lässt vermuten, dass während der ca. 5000 Jahre Lagerung im Erdboden salzhaltige Verbindungen in die Mikrorisse eingedrungen sein könnten und daher, durch Bildung von Lösungen in feuchter Atmosphäre, die Korrosion im Umfeld der Risse beschleunigen. Die korrosive Wirkung von Salzwasser ist weithin bekannt. Dennoch ist die Korrosion an den vollständig ungeschützten Rissen deutlich stärker. Dieses Resultat ebnet den Weg, mit einer weiteren Optimierung des Auftragsverfahrens, als auch des Beschichtungsmaterials selbst, zu einer vollständigen Schutzwirkung zu kommen.
Bernd Grünler Nicht nur für die Medizintechnik – neue Methoden zur Silikonisierung von Oberflächen
Beim Einsatz vorfüllbarer Glasspritzen führt bislang kein Weg an der Silikonisierung vorbei. Im Rahmen eines Forschungsprojektes bei INNOVENT e.V. konnten zwei Alternativen zur Einbrennsilikonisierung aufgezeigt werden. Zum einen ist es möglich, die bislang nur thermisch fixierte Silikonölemulsion durch geringfügige Modifizierung auch mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung anzubinden. Zum anderen konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe einer komplett nachbehandlungsfreien Methode eine Anbindung von Silikonöl an die Glasoberfläche möglich ist, um die gewünschte Gleitreibungswirkung zu erreichen. Die im Rahmen des Projektes untersuchten Schichten sind jedoch auch für weitere Anwendungen nutzbar.
Immer mehr Medikamente werden in sogenannten „Fertigspritzen“ vertrieben, das heißt sie sind so vorbereitet, dass sich die Patienten die entsprechenden Injektionen selbst verabreichen können. Der Wirkstoff muss nicht mehr aus einer Ampulle in die Spritze aufgezogen werden, womit Dosierungsfehler ausgeschlossen werden, die Anwendung wird sicherer, Probleme mit der Sterilität der Injektion bestehen nicht mehr. Bei der Herstellung dieser vorfüllbarer Glasspritzen ist eine Silikonisierung unumgänglich, um die Gleitreibungskräfte des Kolbenstopfens beim Einsatz der Spritze möglichst gering zu halten. Aktuell werden zwei Verfahren zur Modifikation der Glasoberfläche eingesetzt: die Sprüh-Silikonisierung sowie die Einbrennsilikonisierung. Größtes Problem bei der Silikonisierung waren bislang freie Silikonöltröpfchen im Medikament, die durch zu hohe Mengen an Silikonöl zustande kommen und anschließend mit bestimmten Wirkstoffen aggregieren können. Die Einbrennsilikonisierung ist deshalb meist die bevorzugte Wahl, da hierbei eine möglichst geringe Belastung mit freien Silikonöltröpfchen erreicht wird. Ziel des Forschungsprojektes war es daher, effektivere Fixierungsmethoden zur Anbindung des Silikonöls an die Glasoberfläche zu entwickeln, bei denen die gewünschten Eigenschaften (Hydrophobie und Gleitwirkung) nicht beeinträchtigt werden.
Neue Beschichtungsmethoden
Nach umfangreichen Untersuchungen können nun zwei Alternativen aufgezeigt werden. So ist es zum einen möglich, die bisher thermisch fixierte Silikonölemulsion nach einer geringfügigen Modifikation, zum einen mittels Mikrowellenbehandlung anzubinden, oder thermisch bei deutlich reduzierter Temperatur (nur 150°C anstatt der sonst üblichen 300°C). Zum anderen kann mit Hilfe einer komplett nachbehandlungsfreien Methode eine Anbindung von Silikonöl in Form einer ultradünnen Beschichtung erreicht werden. Dabei werden einzelne Moleküle der Reaktionslösung an der Glasoberfläche gebunden. Weitere Moleküle reagieren damit, so dass an der Oberfläche Polymere aus Silikonöl ausgebildet werden, die man sich wie Borsten einer Bürste vorstellen kann. Die hydrophoben Eigenschaften der so behandelten Glasoberflächen sowie das Gleitreibungsverhalten sind vergleichbar mit den Werten von Spritzenkörpern mit Sprüh- oder Einbrennsilikonisierung (siehe Abb. 1). Die ultradünnen hydrophoben Schichten sind temperaturstabil bis 150 °C und weisen eine sehr gute mechanische Beständigkeit auf.
Metalle, Kunststoffe und mehr
Vor diesem Hintergrund ergibt sich neben den ursprünglich adressierten Anwendungen im Bereich der Pharmaverpackungsindustrie eine Vielzahl weiterer Applikationsmöglichkeiten. So sind z.B. Glasoberflächen ohne Beeinträchtigung der Transmission im sichtbaren Bereich mit der neuen hydrophoben Schicht behandelbar. Auch mit funktionellen Schichten ausgerüstete Oberflächen (z.B. photokatalytisch aktiv beschichtete Gläser) können mit der Beschichtung versehen werden, ohne dass die Funktionalisierung dadurch beeinträchtigt wird.
Eine Behandlung metallischer Oberflächen mit natürlicher Oxidbildung ist ohne größeren Aufwand möglich. Auf nicht-oxidischen Materialien, z.B. Kunststoffen, kann die Anbindung nach entsprechender Vorbehandlung, z.B. durch das Aufbringen einer dünnen Pyrosil®-Schicht, ebenfalls haftfest erfolgen. In einem Abriebstest konnte die Stabilität der Beschichtungen auf den Kunststoff-Substraten (Plexiglas) auch nach 10.000 Zyklen erfolgreich nachgewiesen werden (siehe Abb. 2).
Die Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen Inno-KOM MF150028 finanziell unterstützt.
Über INNOVENT
Die Industrieforschungseinrichtung INNOVENT e.V. analysiert, forscht und entwickelt seit 25 Jahren in den Bereichen Oberflächentechnik, Magnetisch-Optische Systeme und Biomaterialen. Das Institut aus Jena beschäftigt etwa 130 Mitarbeiter, leitet verschiedene Netzwerke und führt bundesweit Fachtagungen durch. INNOVENT ist Gründungsmitglied der Deutschen Industrieforschungsgemeinschaft Konrad Zuse.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
INNOVENT e.V.
Dr. Bernd Grünler
E-Mail: bg@innovent-jena.de

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